Исследование системы управления газовой компрессорной установкой

Хайруллин Нияз Шамилевич – студент магистратуры Института управления, автоматизации и информационных технологий Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева.

Аннотация: Исследованы режимы работы компрессорных станций по перекачке природного газа. Освещены такие вопросы, как работа компрессора при положительном и отрицательном потоке, поведение компрессорной системы в стационарной форме при различных режимах, сравнение эффективности управления давлением и потоком, влияние системы трубопровода на работу компрессора и эффективность компрессоров при различных скоростях потока.

Ключевые слова: Управление компрессором, режимы работы компрессора, компрессорная карта, перекачка природного газа.

Введение

Газ должен быть доставлен потребителям самым оптимальным и экономически эффективным путем с соблюдением все возрастающих требований по повышению надежности и безопасности поставок. Он транспортируется по магистральным газопроводам под высоким давлением (от 50 до 75 кг/см2). Функционирование такой сложной системы невозможно без автоматического и автоматизированного управления, контроля и регулирования ее работы.

Основная проблема, связанная с транспортировкой газа на большие расстояния – перепады давления. Они вызывают множество нежелательных явлений (помпаж, колебания объема транспортируемого газа) и требуют увеличения количества газоперекачивающих агрегатов (и, соответственно, уменьшения расстояния между ними).

Для решения этих проблем существует большое количество автоматизированных систем. Но все они сводятся к определенным принципам работы.

В данной статье будут рассмотрены именно принципы управления компрессором, а затем описание поведения процесса в различных сценариях. Значительную роль в этих описаниях будут учитывать соображения избегания перенапряжений.

Поведение компрессоров при аварийном отключении не будет обсуждаться в этой статье. Функция системы управления - просто инициировать выключение и как можно быстрее открыть рециркуляционный клапан. Более того, поведение при аварийных остановках было подробно рассмотрено в ряде работ, например, Ботросом и Ганесаном [2], Ботросом [3], Уайтом и Курцем [4], Морини и др. [5], и Блиски и др. [6].

Системы контроля и их анализ

Базовый контроль.

Данная система контроля основана на запуске двигателя до максимальной скорости (т.е. полной нагрузки), если только система не вступает в другой предел. Такими пределами могут быть давление всасывания компрессора, давление на выходе компрессора или расход компрессора. Если, например, давление всасывания контролируется, двигатель будет работать при полной нагрузке, при условии, что давление всасывания не будет ниже заданного значения компрессора. В этом случае эффективность системы снижается.

Управление электродвигателями.

Сложность предыдущего метода заключается в том, что они имеют лишь ограниченную возможность уменьшить поглощаемую мощность компрессора. Поэтому для обеспечения достаточной мощности для работы компрессора в какой-то момент на его линии с постоянной скоростью требуется определенный избыточный уровень управления.

Для приводных электродвигателей, позволяющих изменять скорость компрессора (т.е. редукторы с переменной скоростью или частотно-регулируемые приводы), скорость является обычной управляющей переменной. В данном случае скорость привода регулируется в соответствии с целями управления технологическим процессом, пока требуемая мощность не превысит мощность управляющего элемента.

Устранение перенапряжений.

Вмешательство системы контроля перенапряжения должно быть практически незаметным, так как она применяется в режиме непосредственной работы компрессора.

Понимание принципов предотвращения перенапряжений облегчит понимание остальных элементов управления процессом. Существует пять основополагающих факторов для успешного предотвращения перенапряжений (Уайт и Курц [3]):

1. Точная модель ограничения перенапряжений: она должна прогнозировать предельный уровень перенапряжения по применимому диапазону условий и характеристик.
2. Соответствующий алгоритм управления: он должен обеспечивать предотвращение перенапряжения без излишнего нарушения процесса.
3. Правильная аппаратура: приборы должны быть выбраны для соответствия требованиям скорости, дальности и точности.
4. Выбор рециркулярного клапана для компрессора: Клапаны должны соответствовать карте компрессора. Они должны быть применимы как к большим и быстрым, так и небольшим и медленным изменениям в мощности.
5. Правильно выбранный рециркуляционный клапан для объемов системы: клапан должен быть достаточно быстрым и достаточно большим, чтобы обеспечить превышение предела перенапряжения во время выключения. Система трубопроводов является доминирующим фактором в общей реакции системы. Большие объемы будут препятствовать внедрению системы предотвращения отказов клапанов.

Так как данная работа не охватывает поведение систем управления перенапряжением во время аварийных остановок, все, что необходимо упомянуть, заключается в том, что объем труб и сосудов между выпускным соплом компрессора, обратным клапаном и рециркуляционным клапаном должен быть как можно меньше. Если возникают проблемы с перенапряжением во время аварийного отключения, может быть установлен отдельный клапан горячей рециркуляции.

Управление уровнем обратного потока.

В то время как система управления должна поддерживать компрессор от перенапряжения, мы вкратце хотим упомянуть о ситуации компрессора, когда система не может предотвратить всплеск.

Рисунок 1. Характеристики системы и карта компрессора.

Существуют тестовые данные, описывающие поведение компрессора, когда он подвержен условиям обратного потока. Уайт и Курц [4] описали поведение компрессора во время аварийного отключения против закрытого рециркуляционного клапана. А недавно Белардини с коллегами [7] подробно исследовали поведение компрессора в обратном потоке. Ауст [8] опубликовал подробные измерения центробежного компрессора во время периодов перенапряжения. Помимо режима нормальной, стабильной работы, мы можем определить область устойчивого обратного потока и неустойчивую область перехода. В настоящее время активно исследуют определение сил, а также возможный ущерб во время циклов перенапряжений. В целом, системы управления предназначены для предотвращения взрыва компрессора, но некоторые данные свидетельствуют о том, что большинство промышленных компрессоров выдерживают волновые всплески в работе без ощутимого повреждения.

Характеристика и поведение системы.

Система, в которой работает компрессор, то есть трубопровод, клапаны и сосуды, демонстрирует некоторые связи между потоком через систему и падением давления, налагаемым системой.

В контексте применения компрессоров важно понять это соотношение, поскольку оно оказывает глубокое влияние на выбор правильного компрессора. Кроме того, эти отношения, как правило, различаются в стационарной работе по сравнению с переходной работой.

Трубная система, в которой работает компрессор, будет налагать свою характеристику на компрессор. Необходимо учитывать три основные характеристики стационарной системы (рис.2):

(A) сильное отношение коэффициента давления к приведенному потоку,

(B) слабое отношение коэффициента давления к приведенному потоку,

(C) интегративные отношения.

Случай сильного отношения, например, наблюдается в газопроводах. В стационарных условиях потери давления в трубопроводе, которые налагают давление всасывания и нагнетания на компрессорную станцию, значительно возрастают, когда поток через трубопровод должен быть увеличен. Таким образом, уровни давления обусловлены потерями на трение, которые зависят от скорости газа в трубе.

При слабом соотношении коэффициента давления и приведенным потоком требования для головки компрессора остаются более или менее постоянными при изменении потока. Такое поведение наблюдается не только в холодильных компрессорах, но и в ситуациях, когда процесс диктует постоянное давление всасывания (например, давление сепаратора), в то время как отходящий газ подается через короткую трубу в более крупный проточный трубопровод, поэтому давление на выходе компрессора более или менее диктуется давлением в большом трубопроводе. Таким образом, потери на трение оказывают очень небольшое влияние, и это приводит к очень небольшим изменениям потерь давления при потоке.

В интегративной связи, которая существует, например, в системах хранения [9], компрессор заполняет большую полость. Это означает, что давление нагнетания компрессора увеличивается в зависимости от кумулятивного потока в полость в результате заполнения полости газом. Аналогичные условия могут быть обнаружены в приложениях для сбора газа, где (в гораздо более медленном масштабе) давление в полости (а вместе с ним и давление всасывания компрессора) снижается в зависимости от совокупного расхода газа. Эти полости дополнительно также имеют сильное отношение на карте компрессора, то есть увеличение потока в любой момент времени приведет к снижению давления всасывания компрессора.

Взаимодействие между характеристикой компрессора и характеристикой системы становится основным компонентом подхода к управлению. На рисунке 3 показано, как вход питания, предоставляемый управлением, может использоваться для управления рабочей точкой компрессора в рамках ограниченного поведения системы.

Мощность компрессора P является функцией массового расхода W и фактической головки H и, следовательно, связана с координатами на карте компрессора (рис.4) плотности входа g, входного потока Q, изэнтропической головки H_s и эффективности η

   (1)

Это определяет линию постоянной мощности на рисунке 3.

Кроме того, следует учитывать поведение переходной системы. Например, трубопровод может работать в переходном режиме, подавая больше газа в трубопровод, чем снимаемый в конце. Обычно это называется упаковкой линии. В общем, трубопроводы эксплуатируются в условиях медленно меняющихся условий эксплуатации. В то время как трубопровод в стационарных условиях требует уникального отношения давления станции для данного потока (рис.2), это уже не соответствует условиям переходных процессов: если трубопровод работает в переходных условиях, например, во время линейной упаковки после быстрого увеличения мощности, или если один из компрессоров должен быть выключен, установившиеся отношения уже недействительны. Динамические исследования поведения трубопроводов показывают отчетливо различную реакцию трубопровода на изменения условий работы станции, чем стационарный расчет. В стационарном (или для медленных изменений) трубопроводная гидравлика диктует увеличение отношения давления станции с увеличением расхода из-за того, что потери давления в трубопроводе увеличиваются с увеличением расхода по трубопроводу. Однако, если компрессор получает больше мощности и быстро увеличивает скорость и пропускную способность, отношение давления станции будет очень медленно реагировать на это изменение. Это связано с тем, что вначале дополнительный поток должен упаковывать трубопровод (с его значительным объемом) до тех пор, пока не станут очевидными изменения давления. Таким образом, динамическое изменение условий эксплуатации привело бы (в предельном случае к очень быстрому изменению мощности компрессора) к изменению потока без изменения головки. Если настройка мощности будет сохранена, рабочая точка компрессора начнет снова приближаться к установочной линии, хотя и с более высокой скоростью, соотношением давления, расхода и мощности.

Рисунок 2. Снижение нагрузки: управление давлением (слева), управлением потоком (справа).

Экспериментальные данные, представленные и проанализированные Блиски и др. [6] показывают, что стационарная карта компрессора по-прежнему может использоваться даже в переходных ситуациях.

Рисунок 3. Отображение характеристики трубопровода и доступной мощности на компрессорной карте.

Взаимодействие между системой и компрессором

В любой ситуации процесс определяет давление всасывания и нагнетания, которое компрессор «видит». Основываясь на некоторой подстройке управления (доступная мощность, скорость и настройка направляющей лопасти), компрессор будет реагировать на ситуацию, предоставляя определенное количество потока для система. Таким образом, поток в систему является результатом характеристики компрессора (его карты) и некоторой внешней настройки управления.

Различные управления вызывают различные сценарии в этих ситуациях: если мы контролируем компрессор по уровню мощности, который подается, то скорость, с которой работает компрессор, является результатом взаимодействия между компрессором и процессом. Если мы контролируем скорость компрессора, требуемая мощность является результатом.

Управление рециркуляцией и управление дроссельной заслонкой являются, по существу, дополнительными способами управления компрессором в определенных ситуациях. Рециркулирующий газ по-прежнему поддерживает давление всасывания и нагнетания системы, пока компрессор остается на линии, но он позволяет компрессору обеспечить больше потока, чем это желательно или доступно из системы. Регулирование дроссельной заслонки позволяет уменьшить давление всасывания системы или давление на выходе системы, которое испытывает компрессор.

Очевидно, что не могут быть достигнуты некоторые режимы: компрессор не сможет работать в условиях, когда скорость слишком высокая или слишком низкая, когда мощность слишком высока или где операция может вызвать нестабильность, например, всплеск. Если компрессор из-за ограничений мощности, скорости или диапазона расхода не способен работать на вводе давления всасывания и нагнетания, он перейдет в полную переработку, т.е. Будет работать в рамках ограничений новой системы, что представляет собой управляемый дроссельным клапаном цикл рециркуляции.

Следует отметить, что ранее упомянутые принципы также применимы к переходным ситуациям, таким как линейная упаковка в трубопроводах [10] и даже очень временные ситуации, например, во время аварийного отключения [11,12]. Опять же, система (которая, по сути, представляет собой цикл рециркуляции, как только обратные клапаны отделяют цикл рециркуляции от основной системы) накладывает определенное давление всасывания и нагнетания на компрессор, доступная мощность исходит из инерции приводной цепи, а скорость компрессора является результатом взаимодействия.

Работа в трубопроводной системе.

В этом примере подчеркивается влияние различных характеристик компрессора на эффективность, достигаемую в условиях эксплуатации, налагаемых системой. Мы сравниваем центробежный компрессор с переменной скоростью с поршневым компрессором. В отличие от центробежного компрессора, поршневой компрессор будет обеспечивать более низкую эффективность при снижении отношения давления [13].

Типичная работа в установившемся режиме трубопровода (рис.2) приведет к поведению эффективности, как показано на рисунке 5. Это результат оценки эффективности компрессора вдоль стационарной эксплуатационной характеристики трубопровода. Оба компрессора были бы рассчитаны на максимальную эффективность при 100% -ном потоке, при этом 10% -ный расход превышал бы проектный расход. Для такого сравнения не рассматривались разные механические характеристики.

Эффективность возвратно-поступательного компрессора получена из измерений эффективности клапанов в работе Ноалл и Коуч [13] с эффективностью сжатия и потерями из-за добавления устройств ослабления пульсации. Эффективность достигается при использовании низкоскоростных компрессоров. Высокоскоростные поршневые компрессоры могут быть ниже по эффективности. На графике показано влияние увеличенных потерь в клапанах при более низком давлении для поршневых машин, тогда как эффективность центробежного компрессора остается более или менее постоянной [14].

Рисунок 4. Эффективность компрессора при разных скоростях потока на основе работы по установившейся характеристике трубопровода.

Заключение

В управлении компрессором существуют две цели: соответствие требованиям внешнего процесса и поддержание компрессора в пределах его эксплуатационных границ. Типичными сценариями управления, которые необходимо учитывать, являются управление процессом, запуск и остановка блоков, а также быстрое или аварийное завершение работы. В работе требования к управлению компрессорными узлами. Основное внимание уделяется приложениям с переменной скоростью и потоком. Объяснено влияние взаимодействия между характеристиками системы и характеристиками компрессора как в установившемся, так и в переходном режимах.

Список литературы

1. Kurz, R., White, R. C., and Brun, K., 2012, “Upstream and Midstream Compression Applications: Part 2—Implications on Operation and Control of the Compression Equipment,” ASME Paper No. GT2012-68006.
2. Botros, K. K., and Ganesan, S. T., 2008, “Dynamic Instabilities in Industrial Compression Systems With Centrifugal Compressors,” 37th Turbomachinery Symposium, Houston, TX, Sept. 8–11, pp. 119–132.
3. Botros, K. K., 2011, “Single vs. Dual Recycle System Requirements in the Design of High Pressure Ratio, Low Inertia Centrifugal Compressor Stations,” ASME Paper No. GT2011-45002.
4. White, R. C., and Kurz, R., 2006, “Surge Avoidance for Compressor Systems,” 35th Turbomachinery Symposium, Houston, TX, Sept. 25–28, pp. 123–134.
5. Morini, M., Pinelli, M., and Venturini, M., 2007, “Development of a One-Dimensional Modular Dynamic Model for the Simulation of Surge in Compression Systems,” ASME J. Turbomach., 129(3), pp. 437–447.
6. Blieske, M., Kurz, R., Garcia-Hernandez, A., and Brun, K., 2011, “Centrifugal Compressors During Fast Transients,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 133(7), p. 072401.
7. Belardini, E., Rubino, D. T., Tapinassi, L., and Pelella, M., 2016, “Four Quadrant Centrifugal Compressor Performance,” First Asia Turbomachinery and Pump Symposium, Singapore, Mar. 13–15, pp. 1–10.
8. Aust, N., 1988, “Ein Verfahren zur digitalen Simulation instationaerer Vorgaenge in Verdichteranlagen,” Ph. D. dissertation, Universit€at der Bundeswehr Hamburg, Hamburg, Germany.
9. Kurz, R., and Brun, K., 2009, “Assessment of Compressors in Gas Storage Applications,” ASME Paper No. GT2009-59258.
10. Kurz, R., White, R. C., and Brun, K., 2014, “Transient Operation in Pipeline Compressor Stations,” ASME Paper No. GT2014-25016.
11. Kurz, R., and White, R. C., 2004, “Surge Avoidance in Gas Compression Systems,” ASME J. Turbomach., 126(4), pp. 501–506.
12. Moore, J. J., Garcia-Hernandez, A., Blieske, M., Kurz, R., and Brun, K., 2009, “Transient Surge Measurements of a Centrifugal Compressor Station During Emergency Shutdowns,” 38th Turbomachinery Symposium, Houston, TX, Sept. 14–17, pp. 13–26.
13. Noall, M., and Couch, W., 2003, “Performance and Endurance Tests of Six Mainline Compressor Valves in Natural Gas Compression Service,” Gas Machinery Conference (GMC), Salt Lake City, UT, Oct. 6–8, pp. 1–13.
14. Kurz, R., Winkelmann, B., and Mokhatab, S., 2010, “Efficiency and Operating Characteristics of Centrifugal and Reciprocating Compressors,” Pipeline Gas J., 237(10), pp. 42–46.